視頻VGA信號分配的原理及在遠程傳輸系統(tǒng)中的應用

VGA分配器將來自一個信號源的視頻信號分配成兩個或多個信號。高分辨率視頻分配放大器的一個常見應用就是，在接收來自一個計算機視頻端口的信號后將其放大，并在保持原有信號質量的情況下將其分配到兩個或多個高分辨率數(shù)據(jù)顯示設備。分配放大器同時提供信號的峰值和電平調整和均衡等放大和增強功能。分配放大器上的每路輸出都經(jīng)過緩沖處理，所以在信號分配時仍可保持原始信號的清晰度和強度，完全達到桌面效果。分配器可以做成1分2，1分4等。VGA雙絞線傳輸具有長距離驅動能力，可將電腦主機輸出的RGBHV形式的信號，通過非屏蔽五類及五類以上雙絞線(CAT5／5E／6)平衡傳輸，高保真地傳輸30．0 m，傳輸后的視頻效果沒有重影、沒有拖尾、畫面清澈如初，線材好時可達500 m，可廣泛應用在液晶、等離子平板多媒體廣告工程中。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設計包括兩部分，一部分是視頻信號的本地分配，實現(xiàn)1分2、1分4等；另一部分是視頻信號的遠程傳輸系統(tǒng)，遠程傳輸系統(tǒng)又包括本地發(fā)送端和遠程接收端。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 VGA信號分配

VGA信號分配是指在本地分配，即一路VGA信號帶2個、4個顯示器。VGA信號分配包括兩部分，一是視頻信號R，G，B的分配；二是同步信號HSYNC，VSYNC的分配。

2．1 同步HSYNC，VSYNC信號的分路

水平、垂直同步信號HSYNC，VSYNC經(jīng)過74HC04高速反相器后，輸出波形得到整形，提高帶負載的能力后，分別接至輸出分路器1、2路的水平、垂直同步信號線上，實現(xiàn)VGA水平、垂直同步信號的1分2功能。同步信號分路如圖2所示。

圖2 同步信號分路

2．2 視頻信號R、G、B的分配

視頻信號R，G，B分路如圖3所示。C101和R107構成高通網(wǎng)絡，下限截止頻率為1／(2πRC)，如果C101選33 nF，R107選150 Ω，則下限截止頻率fL=1／(2πRC)=1／(2π×150×33×10-9)=3 215 Hz，改變電阻R107和電容C101的值，就可以改變下限頻率。Q100，Q101，Q102為高頻三極管，截止頻率應大于視頻信號的最高頻率。頻率信號經(jīng)電容C101耦合至Q100的基極，Q100飽和導通，導通時Q100的VCES約為0．3 V，流過R102電阻的電流為ic，流過電阻R101的電流為ie。因為ic≈ie，則Q100集電極的電壓為。如果，VCC設置為5V，則VC=1．76V。Q101，Q102構成兩級射極跟隨器，VGA OUT1 RED，VGA OUT2 RED分別接至輸出分路器1，2路VGA的紅色信號輸入端，驅動VGA紅色信號，輸出電壓為VCC-VCES=(5-0．3)V=4．7 V，提高了系統(tǒng)的帶負載能力。VGA信號的藍色信號、綠色信號分路原理與紅色信號一致，從而實現(xiàn)了VGA信號的1分2功能。

圖3 視頻信號R，G，B分路

3 VGA信號遠程傳輸系統(tǒng)

VGA信號遠程傳輸系統(tǒng)包括兩組發(fā)送端和接收端。發(fā)送端將信號差分放大后，接入RJ-45網(wǎng)口，通過CAT-5雙絞線傳輸至遠程端。遠程接收端從RJ-45口將信號接收下來，處理后還原成清晰的視頻信號接入本地VGA接口。

3．1 VGA發(fā)送端

VGA信號遠程傳輸中，由于傳輸導線的阻抗會引起信號的衰減，傳輸?shù)木嚯x越長衰減越大，從而造成信號不能正確讀取。因此，VGA信號在遠程傳輸?shù)陌l(fā)送端需要將信號差分放大，以提高信號的傳輸能力。本系統(tǒng)發(fā)送端選用EL4543為差分放大器件。EL4543是Intersil公司生產的帶同步編碼的三路差分雙絞線驅動器。EL4543是高帶寬(350 MHz)的三路差動放大器，可對視頻同步信號進行完整的編碼，它的輸入適合處理單端或差分形式的高速視頻或其他通信信號。高帶寬是標準雙絞線或同軸電纜線上的差分信號，有非常低的諧波失真，同時，內部反饋保證輸出有穩(wěn)定的增益和相位，以減少輻射的電磁干擾和諧波。嵌入邏輯將標準的視頻水平和垂直同步信號編碼到雙絞線的共模信號上，帶同步信息的VGA輸入RGB信號后與EL4543輸入端上的75 Ω的終端電阻相連，單端的RGB信號被轉換為差模信號，HSYNC和VSYNC在三個差動信號各自的共模信號上進行編碼。EL4543的50 Ω終端輸出驅動差分R，G，B，同步信號編碼在CAT-5雙絞線電纜的共模中。不帶信號頻率均衡的系統(tǒng)，可在200英尺的CAT-5雙絞線上很好的傳輸。對于更長的電纜，在接收端用頻率和增益均衡技術(EL9111)和延遲線技術(EL9115)來補償信號的衰減，從而調整接收端的信號的相位不匹配。發(fā)送端EL4543驅動如圖4所示。

圖4發(fā)送端EL4543驅動

3．2 VGA信號接收端

EL9111是三通道差分接收器和均衡器，含有三個高速差分接收器，具有5個可編程的電極。EL9111帶寬為150 MHz，均衡長度由一個單獨引腳上的電壓設定。EL9111有兩個邏輯輸入引腳(ENBL)和開關增益(X2)。邏輯電路的邏輯基準管腳(VREF)的電勢之上都有1．1V的額定門限。在多數(shù)應用中，芯片工作在+5 V，0 V，-5 V的供電系統(tǒng)中，邏輯值在0～+5 V之間。EL9111的特點是共模譯碼，可對水平和垂直方向上的信息進行譯碼，該信息由EL4543的三個差分輸入端譯碼，因此僅用三對電纜，就可完整地傳輸RGB視頻信號和相關的同步信息，如圖5所示。

圖5 接收端電路圖

EL9115是三路模擬延遲線，可對三個信號提供斜率補償。EL9115對由典型的CAT-5電纜(每對電線有不同的電長度)引入的斜率，可提供非常好的補償。EL9115總延遲為62 ns，可在每個通道上設置2 ns的步長。EL9115延遲時間由延遲寄存器內8 b數(shù)據(jù)決定，延遲寄存器的數(shù)據(jù)格式為：0abVWXYZ。當ab=01時，表示紅色寄存器，當ab=10時，表示綠色寄存器當ab=11時，表示藍色寄存器。延遲寄存器的數(shù)據(jù)乘以步長即為延遲的總時間。如表1所示。

表1 延遲總時間 （ns）

延遲寄存器數(shù)據(jù)由外部AVR單片機程序設置(圖5中未畫出)，NSEnable，SCLOCK，SDATA三個引腳和單片機的三個引腳構成串行總線通信，通信時序如圖6所示。

圖6　EL9115串行總線時序圖

通信的模擬程序如下：

SETB NSENALE;

CLR NSENALE;串行通信使能

NOP;

CLR SCLOCK;模擬時鐘，根據(jù)單片機頻率調整脈寬

NOP;

CLR C;

MOV SDATA,C;寫入初始數(shù)據(jù)“0”

SETB SCLOCK;

4 結語

當頻率較高或有較大負載時，內部功耗引發(fā)芯片溫度升高，EL4543的驅動能力將受到限制。EL4543的模片最高為125℃，因此設計線路板時應做好芯片的散熱工作。同時，傳輸視頻信號時，PCB上要有一個“健康”的接地平面，接地端必須靠近輸入端，以使輸入電容最??；而接地平面應盡量遠離信號輸入端，以防止負載和電源電流流入輸入接點。采用此系統(tǒng)設計要做好相關的電磁干擾(EMI)，才能實現(xiàn)設計的功能。